光圈数值是怎么算出来?不必完全理解,但起码要了解原理

2021-09-23

“光圈”应该是玩摄影最先接触的词汇了,但我们对光圈的认识似乎还停留在光圈数值越小,光圈越大;光圈数值越大,光圈越小的层次上。而对于整挡光圈,光圈与景深的关系,光圈与成像质量的关系似乎就不是那么清楚了。
就更别提光圈的数值是怎么计算出来的这种看似很深奥的问题了。接下来好机友摄影就和大家一起看看光圈的那些事儿。
光圈数值怎样来的



1
光圈数值是什么
小编刚开始玩摄影的时候就有个疑问,为啥光圈的数值都这么怪,什么1.4、2、2.8、4、5.6、8啥的,看上去既没有规律,还有很多都是小数,直接用1、2、4、8这种整数来表达多好啊。
但由于不知道光圈的数值怎么来的并不妨碍我去摄影,所以就没有多想,但玩摄影这么多年,不懂这个怎么说自己是老法师?
在研究之后,终于发现了光圈数值的来源。
每一支镜头都有最大光圈,我们把镜头允许的最大光圈定义为一个大圆,然后把实际使用的光圈定义为一个小圆。那么大圆就是标准,它的直径是最大的,定义为单位1。
当我们调节光圈时,也就是调节小圆的面积,如果我要将小圆的面积调整为大圆的一半,那么小圆的直径是多少呢?小圆直径的倒数其实就是光圈数值
因此光圈的数值就成了一个计算题。我们只要能找到表示小圆直径的公式,也就搞懂了光圈数值的来源。
在搞明白了光圈数值其实就是小圆的直径的倒数之后,我们再来看看这个小圆的直径是如何计算的。

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2
光圈数值的计算方法
我们接下来用数学方式,在大圆这个镜头壳里调节小圆这个光圈。我们先来计算大圆的这个最大光圈的通光量,即它的面积;
设大圆半径为r1:大圆的面积=πr1^2
摄小圆的半径为r2:小圆的面积=πr2^2
现在我们假定大圆面积是小圆面积的任意n倍,其公式比值如下:
 对上式进行精简去π则上式变为:
已知大圆的直径为单位1,即它的半径r1的值等于1/2,把此数值代入后上式变为:
请记住:这里的r2是指小圆的半径,而n的意思则是小圆的面积相对于大圆面积的n分之一(也可以说是大圆面积为小圆面积的n倍)
把上面的式子再进定步分析,我们发现了更加精彩的结论:
当分析到这一步以后,接下来的分析过程就极为简单了。
当我们要求照相机的光圈是最大单位光圈的一半时,也就是我们要求进光量比最大的理论值小一半,也就是要让这里的小圆面积是大圆面积的二分之一时,小圆的直径是多少呢?
根据上面的公式:
我们知道这里的“二分之一”即意味着n=2 
则可计算出小圆直径≈1/1.4
如果我们继续要上面这行所说的“二分之一”的一半即最大光圈的“1/4”呢?
小圆直径=1/2
如果我们要让小圆面积再等于上一行的二分之一呢?
答案是1/2.8
要想再等于上一行的二分之一呢?
答案是1/4
要想再等于上一行的二分之一呢?
答案是1/5.6
要想再等于上一行的二分之一呢?
答案是1/8
……
好好想想,上面这些数字是不是看着很眼熟呢?
我们在之前曾经说过这样一段话“最常见的单反照相机的光圈有以下数值”:
1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22.....
原来,我们在照像机镜头上看到的光圈F值居然是理论最大光圈相对于实际使用光圈的倍数的开平方值,也就是小圆相对直径的倒数!即:
再解释得通俗一点:光圈F值是理论上最大光圈面积与实际所使用的光圈面积的比值,再开平方!
假设你这次给漂亮MM照照片时实际使用的光圈是最大理论光圈的四分之一,即n=4,那么这时F值的大小应该是多少呢?下面来计算:
根据公式:
我们又知道n=4,那么F值就是对4开平方,答案是2,标准写法是F2。
这样我们就明白了这些诡异的光圈数值的来源了吧?
有些摄友看到这里可能就会说了,我知道这些没啥意义啊?说实话,对于摄影来讲确实没啥意义,但却解决了很多摄友心中的一个疑问。
真要说对于摄影的意义,其实还是有那么一点的,那就是对于整挡光圈概念的理解。


整档光圈对拍摄的意义



其实有了上面关于光圈数值计算的基础,理解整挡光圈就会容易很多。我们发现当光圈面积以1/2递减的时候,算出来的数值正好是我们所谓的整挡光圈,也就是1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22。
因此当快门速度与ISO都不改变,只改变光圈时,每一个相邻的整挡光圈都会让画面亮度变为原来的2倍或者1/2。
那么当我们使用手动挡拍摄的时候,就可以通过变换光圈来准确的调节画面亮度。
这里再教给各位摄友一个小技巧,单反相机调节光圈时,拨动3下拨轮,正好是一挡曝光(曝光调整步长为默认1/3的情况下),也就是说画面亮度刚好可以提高1倍或者降低为原来的1/2。
而这种方法同样可以应用在快门速度与ISO的调节上。只要是拨动3下拨轮,亮度就会成倍的提高或者降低。
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光圈对景深的影响



不同大小的光圈会导致进光量不同,从而对画面亮度产生影响,这一点大家都很清楚了。但光圈除了对画面亮度有影响外,还对景深会产生影响。
1
什么是景深
当摄影师将镜头对焦于景物的某个点并拍摄后,在照片中与该点处于同一水平面的景物都是清晰的,而位于该点前方和后方的景物则由于都没有对焦,因此是模糊的。
由于人眼不能精确地辨别焦点前方和后方出现的轻微模糊,因此这部分图像看上去仍然是清晰的,这种清晰的景物会一直在照片中向前、向后延伸,直至景物看上去变得模糊而不可接受,这个可接受的清晰范围就是景深。
简单来说,景深即指对焦位置前后的清晰范围。清晰范围越大,表示景深越大;反之,清晰范围越小,表示景深越小。

2
焦平面
焦平面是指合焦点所在的平面(此平面平行与相机的感光元件),在整个画面中位于焦平面所在的景物是最清晰的。
重构图时只能左右上下移动,不可前后移动的原因,正是因为前后移动会改变焦平面的位置,导致原本合焦处的景物变得不清晰。

3
前后景深
前、后景深是指位于焦平面前后的景深范围。需要特别注意的是,后景深的范围大于前景深的范围,其比例关系大约为2:1。
4
光圈对景深的影响
光圈是控制景深(背景虚化程度)的重要因素。在其他条件不变的情况下,光圈越大景深越小,反之光圈越小景深越大。
通过调整光圈数值的大小,即可拍摄不同的对象或表现不同的主题。例如,大光圈主要用于人像摄影、微距摄影,通过模糊背景来有效地突出主体;小光圈主要用于风景摄影、建筑摄影、纪实摄影等,大景深让画面中的所有景物都能清晰再现。

从上面展示的一组照片中可以看出,当光圈从F2变化到F4时,画面的景深也渐渐变大,使用大光圈拍摄时模糊的部分会变得越来越清晰。
看完了整篇文章,相信你对于光圈的理解已经有所了解,剩下的就是多拍、多练,去运用光圈控制画面亮度,控制景深。


 

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